宇稱不守恆定律

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宇稱不守恆定律 對稱性反映不同物質形態在運動中的共性，而對稱性的破壞才使它們顯示出各自的特性。如同圖案一樣，只有對稱沒有它的破壞，看上去雖然很規則，但同時顯得單調和呆板。只有基本上對稱而又不完全對稱才構成美的建築和圖案。大自然正是這樣的建築師。當大自然構造像DNA這樣的大分子時，總是遵循複製的原則，將分子按照對稱的螺旋結構聯接在一起，而構成螺旋形結構的空間排列是全同的。 但是在複製過程中，對精確對稱性的細微的偏離就會在大分子單位的排列次序上產生新的可能性，從而使得那些更便於複製的樣式更快地發展，形成了進化的過程。

目錄

基本概述

宇稱不守恆定律是指：在弱相互作用中，互為鏡像的物質的運動不對稱，由吳健雄用鈷60驗證。 科學界在1956年前一直認為宇稱守恆，也就是說一個粒子的鏡像與其本身性質完全相同。 1956年，科學家發現θ和τ兩種介子的自旋、質量、壽命、電荷等完全相同，多數人認為它們是同一種粒子，但θ介子衰變時產生兩個π介子，τ子衰變時產生3個，這又說明它們是不同種粒子。

舉例說明

我們可以用一個類似的例子來說明問題。假設有兩輛互為鏡像的汽車，汽車A的司機坐在左前方座位上，油門踏板在他的右腳附近；而汽車B的司機則坐在右前方座位上，油門踏板在他的左腳附近。汽車A的司機順時針方向開動點火鑰匙，把汽車發動起來，並用右腳踩油門踏板，使得汽車以一定的速度向前駛去；汽車B的司機也做完全一樣的動作，只是左右交換一下——他逆時針方向開動點火鑰匙，用左腳踩油門踏板，並且使踏板的傾斜程度與A保持一致。汽車B將會如何運動呢？ 也許大多數人會認為，兩輛汽車應該以完全一樣的速度向前行駛。遺憾的是，他們犯了想當然的毛病。吳健雄的實驗證明了，在粒子世界裡，汽車B將以完全不同的速度行駛，方向也未必一致！——粒子世界就是這樣不可思議地展現了宇稱不守恆。

深入研究

1956年，李政道和楊振寧在深入細緻地研究了各種因素之後，大膽地斷言：τ和θ是完全相同的同一種粒子(後來被稱為K介子)，但在弱相互作用的環境中，它們的運動規律卻不一定完全相同，通俗地說，這兩個相同的粒子如果互相照鏡子的話，它們的衰變方式在鏡子裡和鏡子外居然不一樣！用科學語言來說，「θ-τ」粒子在弱相互作用下是宇稱不守恆的。 在最初，「θ-τ」粒子只是被作為一個特殊例外，人們還是不願意放棄整體微觀粒子世界的宇稱守恆。此後不久，同為華裔的實驗物理學家吳健雄用一個巧妙的實驗驗證了「宇稱不守恆」，從此，「宇稱不守恆」才真正被承認為一條具有普遍意義的基礎科學原理。 吳健雄用兩套實驗裝置觀測鈷60的衰變，她在極低溫(0.01K)下用強磁場把一套裝置中的鈷60原子核自旋方向轉向左旋，把另一套裝置中的鈷60原子核自旋方向轉向右旋，這兩套裝置中的鈷60互為鏡像。實驗結果表明，這兩套裝置中的鈷60放射出來的電子數有很大差異，而且電子放射的方向也不能互相對稱。實驗結果證實了弱相互作用中的宇稱不守恆。

原理影響

「宇稱不守恆原理」的影響是深遠的。許多人說：「很難想象，假若沒有楊和李等的工作，今天的理論物理會是什麼樣子？！」1998年年末，物理學家發現首例違背時間對稱性事件。歐洲原子能研究中心的科研人員發現，正負K介子在轉換過程中存在時間上的不對稱性。這一發現雖然有助於完善宇宙大爆炸理論，但卻動搖了「基本物理定律應在時間上對稱」的觀點。 正如人們經常感嘆那樣，時光不可倒流。日常生活中，時間之箭永遠只有一個朝向。老人不能變年輕，打碎的花瓶無法復原，過去與未來的界限涇渭分明。但在物理學家眼中，時間卻一直被視為是可逆轉的。比如說一對光子碰撞產生一個電子和一個正電子，而正負電子相遇則同樣產生一對光子，這個過程都符合基本物理學定律，在時間上是對稱的。如果用攝像機拍下兩個過程之一然後播放，觀看者將不能判斷錄像帶是在正向還是逆向播放。從這個意義上說，時間沒有了方向。 物理學上這種不辨過去與未來的特性被稱為時間對稱性。經典物理學定律都假定時間無方向，而且也確實在宏觀世界中通過了檢驗。但近幾十年來，物理學家一直在研究時間對稱性在微觀世界中是否同樣適用。歐洲原子能研究中心的一個小組經過長達三年的研究最近終於獲得了突破。他們的實驗觀測首次證明，至少在中性K介子衰變過程中，時間違背了對稱性。 由來自九個國家近百名研究人員組成的這一小組在實驗中研究了K介子反K介子相互轉換的過程。介子是一種質量比電子大，但比質子與中子小，自旋為整數，參與強相互作用的粒子，按內部量子數可分為π介子、ρ介子和K介子等。研究人員在實驗中發現，反K介子轉換為K介子的速率要比其時間逆轉過程、即K介子轉變為反K介子來得要快。這是物理學史上首次直接觀測到時間不對稱現象。 現代宇宙理論曾認為，宇宙大爆炸之初應該產生等量物質和反物質，但當今的宇宙卻主要為物質世界所主宰，這一現象一直讓人困惑。歐洲核子中心新實驗證明，反物質轉化為物質的速度要快於其相反過程，因此它為宇宙中物質量為何遠遠超過反物質量提供了部分答案。另外，新成果對物理學基本對稱定律研究也有重要意義。物理學家們一直認為，除了基本物理定律不受時間方向性影響外，物體在空間物理反射的過程以及粒子與反粒子的變換過程也應遵循對稱性。時間、宇稱和電荷守恆定律被認為是支撐現代物理學的基礎之一。 本世紀50年代來，物理學家先後發現一些守恆定律有時並不完全滿足對稱性。美籍華人物理學家楊振寧和李政道曾提出弱相互作用中宇稱不守恆理論並經實驗證實，之後美國人詹姆斯·克羅寧和瓦爾·菲奇又發現K介子衰變過程違背宇稱和電荷聯合對稱法則，他們都因此而獲諾貝爾物理學獎。由於時間、宇稱和電荷作為一個整體被認為應該守恆，物理學家們曾猜想說，時間在特定情況下會違背對稱性。歐洲核子中心的成果首次證實了這一猜想。 1999年3月，科學家稱直接觀測證明電荷宇稱定律有誤。美國費米實驗室宣布說，該實驗室以前所未有的精度，基本「確切無疑」地證明中性K介子在衰變過程中直接違背了電荷宇稱聯合對稱法則。這一結果被認為是物質和反物質研究領域的一項重要進展。 普遍接受的物理學理論認為，每一種基本粒子都有其對應的反粒子。譬如說與帶負電的電子相對應，就存在質量相同、攜帶電荷正好相反的正電子。在反物質理論提出後，科學家們一直認為，粒子和反粒子之間在特性上存在對稱，就象人們通過鏡子看自己一樣。這些對稱特性主要包括基本物理定律不受時間方向性影響，以及空間反射下的物理過程以及粒子與反粒子的變換過程遵循對稱，它們分別被稱為時間、宇稱和電荷守恆定律。 1964年，美國物理學家克洛寧和菲奇發現，K介子與其反物質反K介子之間違背宇稱和電荷聯合守恆定律。但兩位物理學家主要通過K介子與反K介子的量子力學波動效應而觀測到其違背電荷宇稱守恆現象，因此被認為是一種間接觀測。自60年代以來，世界各國物理學家也先後得出一些類似結果，但基本也都屬於間接觀測範疇。而要想直接證明K介子違背宇稱和電荷聯合守恆定律，其主要途徑是研究K介子衰變為其它粒子的過程。K介子可衰變為兩個介子。物理學家們曾從理論上指出，通過實驗測量出一定數量K介子中有多少衰變為介子，這一比值如果不接近零，那麼即可被視為直接證明了宇稱和電荷聯合定律不守恆。 據報道，各國科學家們近年來一直在從事K介子衰變為介子比值的測算，但所獲得結果都無法被認為是確切的證明。而費米實驗室所獲得的最新數值結果（0.00280誤差0.00041），由於其精確度比此前實驗都有所提高，從而直接證明了宇稱和電荷守恆定律確實有局限性。 宇稱和電荷聯合定律不守恆最早發現者之一、曾獲1980年諾貝爾物理獎的克洛寧教授在評價費米實驗室新成果時稱，這是自發現違背宇稱和電荷守恆定律的現象35年來，人們首次獲得的有關該問題真正新的認識。普林斯頓大學教授瓦爾·菲奇說：「這個結果讓人極其詫異，這是完全沒有預料到的，它非常、非常有意思。」 科學家計劃繼續在費米實驗室進行實驗和計算，以驗證這些最新觀察結果是否確實。與此同時，如果你想知道世界為什麼會是這個樣子，答案完全就在於左右之間的差異——你只要看看鏡子就行了。